Thermoplastische FKV Halbzeuge und Prozesse: Eine ... · Thermoplastische FKV Halbzeuge und...

© Institut für Verbundwerkstoffe GmbH 1

ww

w.t

hefu

ture

isco

mpo

site

.com

Prof. Dr.-Ing. Peter Mitschang, Andreas Krämer

7. thermoPre-Fachtagung

9. und 10. Oktober 2019

Thermoplastische FKV Halbzeuge und Prozesse: Eine Schicksalsgemeinschaft

ww

w.t

hefu

ture

isco

mpo

site

.com

• Motivation zum Einsatz von thermoplastischen Faser-Kunststoff-Verbunden

• Entwicklung von Halbzeugen und Prozessen für thermoplastische Faser-Kunststoff-Verbunde

• Erweiterung der klassische Prozesskette zur Verarbeitung von thermoplastischen Faser-Kunststoff-Verbunden

• Der Versuch eines Ausblicks als Zusammenfassung

2© Institut für Verbundwerkstoffe GmbH, Mitschang, Krämer

Gliederung


ww

w.t

hefu

ture

isco

mpo

site

.com


Quelle: Fokker Aerostructures

Quelle: Jacob Plastics Group

Quelle: CAMISMA’scar seat back

Quelle: Spriform-Consortium

Motivation = Herausforderung

Großserie, Zuverlässigkeit, Qualität, Kosten

Quelle: Premium Aerotec

Motivation zum Einsatz von thermo-plastischen Faser-Kunststoff-Verbunden

Quelle: TU Chemnitz

Quelle: thermoPre

Quelle: Weber Fibertech

ww

w.t

hefu

ture

isco

mpo

site

.com


Halbzeuge und Prozesse für TP-FKVFließpressen

Kurz- und Langfaser-verstärkte Thermoplaste

H eizs tu fe

Q uers trom -d ü se

K ü h lstufe

Pu ller

G ranu lierstu fe

G lasfaser-ro v ing s

E xtru der

Fließpress-ProzessNeuware oder Reziklat

Plastifizieren


ww

w.t

hefu

ture

isco

mpo

site

.com


Halbzeuge und Prozesse für TP-FKVThermoplast-Tapelegen

Quelle: thermoPre

ww

w.t

hefu

ture

isco

mpo

site

.com


Halbzeuge und Prozesse für TP-FKVOrganoblechumformung

OrganoblecheProfile


ww

w.t

hefu

ture

isco

mpo

site

.com

Halbzeugherstellung Laminate

ThermoformenBauteilkomponentenVerbindungstechnik

(Schweißen)

© Institut für Verbundwerkstoffe GmbH, Mitschang, Krämer 7

Klassische Prozesskette zur Verarbeitung von Organoblechen

ww

w.t

hefu

ture

isco

mpo

site

.com


Anlagentechnik zur Herstellung vonplattenförmigen Halbzeugen

PVakuum

Statische Verfahren

Semi-kontinuierliche Verfahren

KontinuierlicheVerfahren


ww

w.t

hefu

ture

isco

mpo

site

.com

• Forschungsschwerpunkte Imprägniervorgänge:

• Untersuchung des Imprägnier- und Konsolidierverhaltens: Einfluss von Polymerviskosität, Gewebetyp, Faserschlichte

• Modellierung des Imprägnierprozesses:


Forschungsschwerpunkte in der Material-und Prozessentwicklung

Temperatur t

Druck P

Viskosität ɳ

Zeit

PdttT

1PbB

a

0

t

t 0

B-Faktor Modell nach Mayer

Quelle: Mayer, C.: Prozeßanalyse und Modellbildung bei der Herstellunggewebeverstärkter, thermoplastischer Halbzeuge. Kaiserslautern: Institut für Verbundwerkstoffe GmbH, 2000

ww

w.t

hefu

ture

isco

mpo

site

.com

• Forschungsschwerpunkte anlagentechnische Umsetzung

am Beispiel der Intervallheißpresstechnik


Forschungsschwerpunkte in der Material-und Prozessentwicklung

0 200 400 600 800 10000

80

160

240

320

400

480

560

640

Werkzeuglänge [mm]

We

rkze

ugb

reite

[m

m]

90

°C

40

°C

90

°C

40 °

C

0 200 400 600 800 1000

[bar]

Werkzeuglänge [mm]

020,0040,0060,0080,00100,0120,0140,0

Druckverteilung im Laminat bei verschiedenen Temperaturprofilen

Analyse des Polymerfließens bei unterschiedlichen Prozessbedingungen

zeitliche und örtliche Verteilung von Prozesstemperatur und Prozessdruck

Ableitung von optimierten Werkzeugen für optimierte Imprägniervorgänge

Ziel: breitere Halbzeuge & gesteigerte Effizienz


ww

w.t

hefu

ture

isco

mpo

site

.com

• Thermoformprozess

• isothermer Prozess, Aufheizen außerhalb des Werkzeugs

• “kaltes” Werkzeug: TWKZ ~ 50-80 K unter Tm bzw. Tg des

Matrixpolymers


Forschungsschwerpunkte in der Material- und Prozessentwicklung

BesäumenAufheizen UmformenHalbzeug Bauteil

ww

w.t

hefu

ture

isco

mpo

site

.com

Der Schlüssel zum Erfolg


Konzept und Design

Prozesssimulation

Crashtest

Verarbeitung / ThermoformenCrashsimulation


ww

w.t

hefu

ture

isco

mpo

site

.com

Entwicklung eines Crash „Muffin“

13

Längsträger

Stoßfängerhalter

Crash Absorber

• Schützt Insassen und Längsträger vor Aufprallschäden

• Ausgelegt als Opferteil um Reparaturkosten zu senken

Image courtesy of AUDI AG

© Institut für Verbundwerkstoffe GmbH, Mitschang, Krämer

ww

w.t

hefu

ture

isco

mpo

site

.com

ww

w.t

hefu

ture

isco

mpo

site

.com

Validation Tests and Crash Tests

14

0

1

2

3

4

5

0 0,2 0,4 0,6

Sh

ear

Str

ess

[MP

a]

Strain [mm/mm]

220°C 250°C

Picture‐Frame‐Test250°

C

220°C

240°C

230°C

Prozess‐simulation

Mechanische Simulation


ww

w.t

hefu

ture

isco

mpo

site

.com

Leistungsfähigkeit und Komplexität in Abhängigkeit von Material und Prozess


Relative Faserlänge l/d [-]

Polymer

10 100 1000 ∞0

Kurzfaser

Langfaser

Matte

Gewebe

uni-direktional

gering

hoch

Source: in style ofJacob Plastics Group

Bau

teilk

om

ple

xitä

t

Per

form

ance

[M

Pa]

Ko

sten

[€]

15

ww

w.t

hefu

ture

isco

mpo

site

.com

Leistungsfähigkeit und Komplexität in Abhängigkeit von Material und Prozess


Relative Faserlänge l/d [-]10 100 1000 ∞0

gering

hoch

Per

form

ance

[M

Pa]

Ko

sten

[€]

Bau

teilk

om

ple

xitä

t

OrganoblechThermoformen

Spritzguss oderFließpressen „SpriForm“

Quelle: in style ofJacob Plastics Group

16


ww

w.t

hefu

ture

isco

mpo

site

.com


Entwicklung von Hybrid-Prozessen

Organoblech

AutomatisierterTransport in den

Ofen

AufheizenTransport in die Fertigungszelle

Thermoformen und Hinterspritzen in

einem Prozessschritt

Entformen und Nachbearbeitung

Merkmale Bauteile kleiner und mittlerer

Größe mit hoher Faserorientierung und hoher Bauteilkomplexität

Sehr kurze Zykluszeiten, großserientauglich

ww

w.t

hefu

ture

isco

mpo

site

.com

Erweiterter Einsatz thermoplastischer Halbzeuge

Integrative Komponentenfertigung

Funktionalisierte FKV Komponenten

Optionale Verbindungstechnik

Erweiterung der klassische Prozesskette zur Verarbeitung von thermoplastischen FKV

Optionaler Thermoformprozess


Source : KraussMaffei


ww

w.t

hefu

ture

isco

mpo

site

.com

Beispiel einer vollautomatisierten SpriForm Fertigungszelle

19

Spritzguss-aggregat

Material-lager

Aufheizstation

Rahmen miteingespanntemLaminat

Roboter(6-Achsen)

AutomatisierteEinspann-vorrichtung


ww

w.t

hefu

ture

isco

mpo

site

.com

Beispiel für die Vielfalt an Funktionalisierungsvarianten

20

Umspritzte Ränder

“Stichelemente”, d.h. Injektion der angespritzenSchmelze durch das Laminat

Rippenanordnung für Crashuntersuchungen

Gestanzte oder ausgeformte Löcher für die Anbringung von Befestigungselementen

Balken mit veripptem U-Profil

Abmessungen: 40 cm x 40 cm

Höhe: 4.5 cm

Laminatdicke: 1.5 mm

verschiedene Rippen / Wanddickenübergängezwischen Laminat und umspritztem Material



ww

w.t

hefu

ture

isco

mpo

site

.com

Prozesskette Thermoplast (TP) –Endlosfaserverstärkte Bauteile

23

ImprägnierungAusgangs-

material FKV-Bauteil

Rovings Organoblechherstellung

Prozesskette TP

GewebeGelege

Thermoformen

TextilesHalbzeug

TP-Tapes FKV-Bauteil

Trend

• TP-Bauteile meist relativ klein mit komplexen Lasten

• Kurze Prozesswege (vom Roving zum Bauteil)

• Reduktion der Kosten durch weniger „teures“ Material

• Vermeidung von Abfall (Verschnitt)

• Ausreichendes Handling und Verarbeitbarkeit


ww

w.t

hefu

ture

isco

mpo

site

.com

Neue Prozessentwicklungen für „Tailored-Blanks“

24

Ablage „Tailored blank“ (Fiberforge)

Konsolidieren(Fibercon)

Thermoformen

© Dieffenbacher



ww

w.t

hefu

ture

isco

mpo

site

.com

Neue Prozessentwicklungen für „Tailored-Blanks“

• Fiber-Placement-Technologie F2 - Compositor

25Quelle: Automation Steeg Hoffmeyer GmbH


ww

w.t

hefu

ture

isco

mpo

site

.com

Die Weiterentwicklung von Material und Prozess



ww

w.t

hefu

ture

isco

mpo

site

.com

Die Weiterentwicklung von Material und Prozess


ww

w.t

hefu

ture

isco

mpo

site

.com

Die Weiterentwicklung von Material und Prozess in der Zukunft

28

Anwendung bestimmt die Prozessentwicklung© Institut für Verbundwerkstoffe GmbH, Mitschang, Krämer

Dies erfordert einen ganzheitlichen Ansatz unter Einbeziehung von

Auslegungs- Werkstoff-, Simulations- und Verarbeitungs-Know-how


ww

w.t

hefu

ture

isco

mpo

site

.com

Antwort: Das entscheidet der Anwendungsfall

• Die Anwendung definiert den Materialeinsatz Polymer, Faserart und Fasermenge Faserorientierung Kosten

• Der Prozess folgt den Randbedingungen der Anwendung als integrativer Hybridprozess

• Das Halbzeug definiert sich an den erlaubten Kosten und Prozessvorgaben


Zusammenfassung

Was müssen die Halbzeuge und Prozesse für die Großserie von thermoplastischen FKV-Bauteilen

zukünftig können?

ww

w.t

hefu

ture

isco

mpo

site

.com

• Topologieoptimierte Bauteilauslegung basierend auf UD-Tapes als Einleger für den Spritzguss oder Fließpressprozess auch in Verbindung mit Organoblechen

• Schnelle Tapeablage auch gekrümmter Bahnen mit Teilkonsolidierung

• Hoher Wärmeeintrag ins Halbzeug bei gleichzeitig hoher mechanischer Belastung im Prozess

• Sehr enge Toleranz des Halbzeugs und der thermoplastischen Preform

• Durchgängige Automatisierung und Digitalisierung (Industrie 4.0) vom Granulat und Faser bis zum Bauteil

• „zero-waste“ Prozesse

• Recyclingkonzepte „post-industry“ und „post-consumer“


Zusammenfassung: Forschungs- und Arbeitsthemen in diesem Zusammenhang

Die Anwendung ist somit der Taktgeber für die zukünftige Prozess- und Materialentwicklungen.

Zur Lösung haben wir mit den thermoplastischen FKV einen tollen Baukasten aus Material- und Prozessinnovationen.


ww

w.t

hefu

ture

isco

mpo

site

.com


Vielen Dank

Kontakt:

Prof. Dr.-Ing. Peter Mitschang

[email protected]

www.ivw.uni-kl.de

Tel: +49 (0) 631 2017- 103

Thermoplastische FKV Halbzeuge und Prozesse: Eine ... · Thermoplastische FKV Halbzeuge und...

Documents

Transcript of Thermoplastische FKV Halbzeuge und Prozesse: Eine ... · Thermoplastische FKV Halbzeuge und...